Концепции современного естествознания

У. Томсон (Кельвин) также считал отнюдь не научной точкой зрения предположение, что в космосе движется бесчисленное множество метеоритных камней, несущих семена жизни, и что жизнь на Земле произошла благодаря таким обломкам более древних миров, которые попали на нашу планету. Создание концепции панспермии было осуществлено в 1908 г. шведским химиком С. Аррениусом (1859--1927). Он допустил, что споры бактерий и вирусов могут уноситься, в том числе и с нашей планеты, под действием электромагнитных сил и перемещаться в космосе под давлением света звезд. В частности, согласно взглядам этого ученого споры могут оседать на частицы пыли и тем самым путешествовать в космосе. Созданную С. Аррениусом концепцию панспермии называют классической формой изложения концепции панспермии.

В качестве новой формы этой концепции сегодня рассматривается гипотеза о существовании внеземных цивилизаций. Согласно этой концепции направленной панспермии жизнь на Землю «доставлена» некоей более развитой цивилизацией из другой галактики целенаправленным образом. В качестве доказательства этой гипотезы ее авторы ссылаются на неоднократные посещения в прошлом и настоящем нашей планеты неопознанными летающими объектами (НЛО). Представители классической концепции панспермии основывают свои взгляды обычно на результатах исследования метеоритов. Например, при исследовании двух метеоритов -- первый упал в 1950 г. возле местности Мози (штат Кентукки, США), второй -- в местности Мергисон (штат Виктория, Австралия) в 1969 г. -- были обнаружены отдельные аминокислоты и жирные кислоты (метеорит Мергисон). На основе исследований метеоритов ученые пытаются ответить на ряд вопросов: 1) как живое может образоваться в условиях глубокого космоса? 2) если спермы живого переносятся в космическом пространстве, то почему «земная жизнь» не освоила Солнечную систему? Например, на Луне должны быть представители живого, но они не обнаружены.

В. Концепция стационарного состояния. Согласно этой концепции Земля никогда не возникала и существует вечно и всегда способна поддержать жизнь. Если и происходили изменения Земли, то очень незначительные. В качестве главного аргумента сторонники этой концепции выдвигают существующие неопределенности в физических, химических, геологических теориях при определении возраста Земли и Вселенной в целом. Виды, согласно этой концепции, существовали всегда и для всех них есть только две возможности: выживать за счет численности либо вымирать. Сторонники этой концепции ставят под сомнение и результаты палеонтологических исследований об изменении живых организмов во времени. Например, по палеонтологическим данным, кистеперые рыбы вымерли 70 млн лет назад. Однако представители этого вида были обнаружены в районе Мадагаскара в наше время. Сравнение палеонтологических данных с существующими видами может иметь, по мнению сторонников этой концепции, лишь экологический смысл: перемещение вида, увеличение его численности или вымирание в неблагоприятных условиях. Существующие разрывы в палеонтологической летописи видов, на которые обратил внимание французский ученый Ж. Кювье (1769--1832), и объяснение и возникновения периодически случающимися катастрофами на Земле используются сторонниками этой концепции в качестве аргументов в пользу вечного, не возникающего и не исчезающего феномена жизни.

Концепция биохимической эволюции. Концепция биохимической эволюции -- это современное развитие гипотезы абиогенеза. В ней исследуется биохимический уровень эволюции живого на Земле:

1. Какие физические, химические и геологические условия могли способствовать возникновению органических соединений из неорганических в историческом прошлом Земли?

2. Как могло происходить образование жизненно важных полимеров из мономеров для живых организмов?

3. Какие полимеры возникли первыми: белки, не способные к самовоспроизведению, или нуклеиновые кислоты молекул ДНК и РНК?

4. Первыми возникли молекулы РНК или ДНК?

5. Какими могли быть первоначальные организмы с точки зрения механизма обмена веществ, строения и взаимодействия с другими организмами?

6. Как возникла клетка?

7. Каково биохимическое содержание главных факторов эволюции живого, естественного отбора и генетического механизма наследственности и изменчивости?

Основателями этой концепции являются два автора, которые независимо друг от друга развили сходные идеи: академик А. Опарин (1894-1980) и англичанин Дж. Холдейн (1892-1964). В 1924 г. А. Опарин, а затем в 1929 г. Дж. Холдейн сформулировали концепцию, согласно которой живое вещество на Земле возникло в результате химической эволюции неорганического вещества при наличии соответствующих условий.

Эта концепция основывается на следующих положениях:

1. Отсутствие жизни на Земле до ее возникновения. Считается, что физические, геологические и химические условия, когда возникала жизнь, существенно отличались от условий, когда ее не было, поэтому она не может возникнуть сегодня таким же образом, как это произошло раньше.

2. Единство химической основы живого и неживого.

3. Уникальность физических условий. Определенная масса Земли (1/20 массы Солнца), расстояние от Солнца и других планет и другие физические параметры, которые позволяли удержать атмосферу.

4. Наличие в ранней атмосфере химических элементов в восстановительной форме, без существования кислорода в газообразном, химически несвязанном состоянии.

5. Образование воды на Земле, играющей огромную роль в жизни живого.

6. Целая совокупность физических, химических и геологических факторов поверхности Земли), возможность разрядов в ранней ее атмосфере, отсутствие озонного слоя, препятствующего губительному воздействию ультрафиолетового излучения на живые организмы.

Предположение о том, что первоначальная атмосфера Земли не содержала свободного кислорода, позволило А. Опарину в книге «Происхождение жизни» (1923) сформулировать следующие положения его концепции:

1. Химические и физические условия на Земле привели к образованию в океанах органических соединений, их накоплению в виде «первичного бульона».

Из органической химии того периода было уже известно, что синтез органических веществ лучше проходит в бескислородной, чем кислородной (окислительной) среде, поскольку кислород чрезвычайно активен с другими химическими элементами. Кроме того, из геологических исследований было известно, что, например, металлы в окислительной форме встречаются в молодых породах Земли, а не в древних.

2. В «первичном бульоне» в его одинаковой (гомогенной) массе путем процесса фрагментации образовались капли -- коацерванты (лат. coazervatus -- накопленный, собранный), обладающие способностью избирательно накапливать различные соединения.

3. Химический состав коацервантов определялся в основном физико- химическими свойствами среды. Различия в химическом составе и величине коацервантов, по мнению А.Опарина, стали основой для действия предбиологического отбора.

4. Взаимодействие коацервантов с внешней для них средой привело к образованию мембранных структур, обеспечивающих стабильность существования комплексов коацервантов.

5. Развитие мембранных структур, регулировавших взаимодействие коацервантов с внешней средой, могло привести, по мнению А. Опарина, к образованию клеток. Главнейшей ступенью предбиологической эволюции живого в концепции

А. Опарина считается объединение способных к самовоспроизведению комплексов нуклеотидов (структуры, составляющие ДНК и РНК) с каталитической активностью белков (полипептидов).

В 1953 г. С. Миллер, молодой американский исследователь, под руководством своего знаменитого соотечественника Нобелевского лауреата Г. Ори выполнил работу, результаты которой глубоко заинтересовали ученых. С. Миллер создал установку, с помощью которой моделировались химический состав предполагаемой первичной атмосферы Земли и ее физические условия, способствовавшие возникновению электрических разрядов в этой атмосфере. Газовая смесь, через которую пропускались электрические разряды, состояла из паров воды, метана, аммиака и водорода. Изучение состава жидкости, полученной в результате эксперимента, обнаружило в ней органические мономеры: мочевина, несколько аминокислот и молочная кислота.

Результаты С. Миллера проверялись другими исследователями, которые использовали такие факторы воздействия на смесь газов в установке С. Миллера, как ударная волна, радиация, ультрафиолетовое излучение и тепловое излучение.

Во всех опытах получались сходные результаты. Из неорганических соединений синтезировались органические соединения. Например, при гамма-излучении обнаружили рибозу и дезоксирибозу.

На современном уровне идеи концепции биохимической эволюции живого с учетом информации о двух факторах эволюционного процесса (естественный отбор и наследственная изменчивость) успешно развиваются симбиотической теорией образования эукариотической клетки и эволюции одноклеточных и многоклеточных эукариотов (современного царства живых организмов). Эта теория учитывает способы питания первых организмов, уровень структурности их генетического материала, способы воспроизводства и другие факторы.

Согласно этой теории свободный кислород в атмосфере Земли появился в результате фотосинтетической деятельности зеленых растений. До этого ультрафиолетовое излучение являлось основным источником энергии для синтеза органических веществ. Далее высказывается предположение, что образованный древний белок (полипептид) обладал повышенной активностью, которая способствовала образованию молекул ДНК. Представители этой концепции полагают, что первые организмы (пробионты) уже имели главные атрибуты жизни: ДНК, РНК, мембранные структуры, деление и некоторые другие. Действительно, все существующие сегодня живые организмы осуществляют обмен веществ или брожением, или фотосинтезом, или дыханием. По отношению к кислороду организмы делятся на анаэробные организмы, гибнущие в кислородной среде и на аэробные организмы, обязательно нуждающиеся в кислороде, и на те промежуточные, которые могут жить в кислородной и бескислородной среде (часть бактерий и грибов). В симбиотической теории много допущений, некоторые из них имеют подтверждение. Кратко об этих допущениях:

1. В восстановительной атмосфере Земли (без свободного кислорода) первые организмы должны были быть анаэробными и гетеротрофами (греч. heteros -- разный, trohe -- пища) (т. е. питались органическими соединениями из «первичного бульона» океанов).

2. По мере их размножения органический ресурс океана истощался. Это привело к образованию автотрофных организмов, способных непосредственно использовать световую энергию Солнца и энергию химической связи из неорганических соединений.

3. Жизнедеятельность анаэробов на первичной стадии возникновения живого приводила к возникновению свободного кислорода в атмосфере Земли, что вело к созданию условий возникновения аэробных организмов.

4. Увеличение роста кислорода в атмосфере усложнило жизнь первичных анаэробов-гетеротрофов (появился озонный слой защиты аэробов и т. п.).

5. Некоторые первичные анаэробы вымерли, другие нашли бескислородные ниши для своего существования (например, метанобразующие бактерии существуют и сегодня в горячих источниках), некоторые из них вступили во взаимодействие с аэробами. Это привело к образованию первых клеток эукариотов. Эти утверждения основываются на исследовании строения, функций, структур современных организмов-анаэробов и организмов-аэробов, для которых необходима определенная норма концентрации кислорода в газообразном состоянии. Многие сохранившиеся роды прокариотов состоят исключительно из анаэробных организмов.

6. Вскоре после возникновения простейших организмов сформировались три надцарства жизни: архебактерии, эубактерии (включая синезеленые водоросли) и эукариоты (грибы, растения, животные). Для обоснования своих положений симбиотическая теория использует также сравнение геномов современных представителей этих царств и их прародителей.

Во временном масштабе считается, что первые фотосинтезирующие прокариотические бактерии возникли 3,5--3 млрд лет тому назад. 2--1,5 млрд лет назад возникли организмы-эукариоты. У этих организмов механизм обмена веществ эффективнее механизма обмена веществ у организмов-анаэробов в 18 раз. 2 млрд лет назад в атмосфере возник кислород.

Таким образом, согласно этой теории эволюция привела к возникновению анаэробов-прокариотов, затем деятельность анаэробов создала возможность возникновения аэробов-эукариотов, для которых необходима определенная норма свободного кислорода. К сожалению, современный человек делает все, чтобы изменить норму содержания кислорода в атмосфере (сжигает, загрязняет и вырубает «легкие» Земли), и тем самым способствует возникновению исторически первой среды обитания для анаэробных бактерий. В современных условиях они усилят борьбу с ныне существующими живыми организмами, которым нужен свободный кислород. В последнем случае речь идет о возможных массовых эпидемиях. Антропогенный фактор современного человека ведет к деградации современной окружающей среды.

В конце прошлого века было сделано интересное открытие на дне рифтовых впадин океанов -- «черных курильщиков». Это образования, напоминающие вулканы с кратером, возвышающиеся на десятки метров над океаническим дном. Они состоят из готовой руды. Черный дым, исходящий из них, является нагретой до 350° С взвесью из железа, марганца, меди и серы. На поверхности «черных курильщиков» обнаружены живые организмы, живущие при температуре до +400° С. Они создают из неорганических веществ собственные органические соединения и способны синтезировать так же неорганические соединения в виде конечных продуктов своей жизнедеятельности, например золото. Эти существа напоминают кольчатых червей, достигающих 1 м в длину. Этот факт используется для доказательства правильности теории симбиоза и концепции «2К».

Г. Креационизм. Креационизм (лат. cratio -- сотворение) -- это концепция, представители которой считают, что жизнь возникла в результате деятельности некоего сверхъестественного события в прошлом. Например, в христианстве таким событием является Бог, создавший все, что мы называем Вселенной. В 1650 г. ирландский архиепископ Ашер из города Арма вычислил дату, когда Бог сотворил мир: 23 октября в 9 часов утра 4004 г. до нашей эры. Эту дату Ашер получил путем сложения возрастов всех людей, упоминающихся в Библии от Адама до Христа (библейская генеалогия). Археологические раскопки показывают, что уже до этой даты существовали высокоразвитые цивилизации. Среди креационистов в духе христианства бытует общее мнение о том, что Божественное творение мира было единожды, без всяких дополнений и коррекции, и в этом творении человек занимает исключительное место: «мир природы, твари созданы для владения им человеком, ходящим под Богом».

Кроме того, сам акт и процесс Божественного творения, как утверждают креационисты, недоступен рациональному научному объяснению, о чем свидетельствуют, по мнению креационистов, результаты самой науки. Аргументация современных представителей креационизма выглядит следующим образом:

1. В разумном устройстве мира ученые могут убедиться на основе экспериментов и наблюдений.

2. Естественный отбор -- это ярлык общеизвестного факта, что одни существа жизнеспособнее других.

3. Естественный отбор -- это механизм рекомбинации генов в пределах одного вида.

4. Генетический код видов, созданных Богом, является совершенным.

5. Мутации генов являются вредными и губительными для организма (некоторые креационисты считают, что случайные мутации могут быть и полезными для организмов).

6. Повеление Бога «плодитесь и размножайтесь» часто трактуется как реализация огромного генетического разнообразия, заложенного Богом в геномы организмов, в том числе и одного вида.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ.

Определите особенности биологии как науки естественного цикла.

Выявите этапы развития биологии. Кратко охарактеризуйте каждый из них.

Выделите общие тенденции развития биологического знания?

Какие критерии могут быть взяты за основу для определения общих направлений в биологии?

Какая из теорий возникновения жизни на Земле кажется Вам наиболее обоснованной?

Какое место занимает современная теория биологической эволюции в естествознании?

Какой критерий положен в основу выделения уровней организации живого.

Какую роль играют биологические связи для развития живого?

Когда, кем и при каких условиях было введено понятие «царство живых организмов»?

Каковы приоритетные направления современных биологических исследований?

9. БИОСФЕРА, КЛИМАТ И СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ

9.1 Планета Земля - третья планета Солнечной системы

Среднее расстояние от Земли до Солнца составляет 149,6 млн км. Земля имеет форму сфероида -- сжатый силами тяготения эллипсоид. Масса Земли -- 6 · 1024 кг. Средняя плотность -- 5,5 г/см3. Средний радиус Земли приблизительно равен 6371 км (на экваторе -- 6378 км, полярный полюс -- 6256 км). Ускорение свободного падения на Земле (среднее значение) приблизительно равно 9,8 м/с2. Объем Земли, без учета атмосферы и магнитосферы, составляет 1,083 · 1012 км3. Площадь поверхности -- 510,2 млн км2.

Динамика обращения Земли вокруг Солнца, вращения вокруг собственной оси, гравитационное взаимодействие со своим спутником Луной приводят к механизму взаимодействия между слоями Земли, порождая эффекты физического согласования, саморегуляции.

Исследователи выделяют следующие сферы Земли:геологическая (внутреннее строение Земли), гидросфера, атмосфера, гляцио-сфера (лат. glacios -- лед), биосфера (сфера жизни), антропосфера (жизнедеятельность человека), магнитосфера.

Большую роль в изучении геологической оболочки Земли сыграла сейсмология (греч. seismos -- землетрясение, logos -- наука).

Сейсмология изучает такие явления, как землетрясения и деятельность вулканов. Сейсмологические наблюдения за поверхностью Земли имеют глубокие исторические корни. По старинным летописям было установлено, что первый сейсмоскоп был создан еще во втором столетии нашей эры в Китае. М. В. Ломоносов в своем трактате «Слово о рождении металлов от трясения Земли» (1757) сформулировал ряд идей о физической природе землетрясения. Каждую минуту на Земле происходят поверхностные и глубинные землетрясения (700 км вглубь от поверхности Земли), которые сопровождаются сейсмическими волнами двух видов: продольные и поперечные. При распространении продольных волн вещества, через которые они проходят, смещаются в направлении движения волны. Продольные волны распространяются в твердых телах и жидкостях, но поперечные волны -- только в твердых. Связано это с тем, что эти волны вызывают смещение частиц вещества, где происходит их распространение, под прямым углом относительно направления их движения. Сейсмические волны как бы освещают процессы, происходящие внутри Земли. Для изучения внутреннего строения Земли используются и глубокие бурения (самая глубокая скважина находится на Кольском полуострове глубиной в 12,2 км, бурение ее было начато в СССР).

Геологическая сфера Земли ее внутреннее строение. В прошлом веке австралийский сейсмолог К. Буллен на основании измерения скорости сейсмических волн предложил разделить строение Земли на три области или сферы: ядро, мантия и земная кора. При этом Земля условно рассматривались как шар с радиусом 6370 км, т. е. 6370 км условно рассматривались как самая глубокая точка Земли. Этот метод исследования внутреннего строения Земли в некоторых усредненных значениях используется и сегодня с определенными уточнениями. Ядро Земли делится на внешнее ядро и внутреннее. Внутреннее ядро находится на расстоянии от 6370 до 5120 км, температура более 4000° С, состоит, как полагают, из никеля и железа, плотность 13 г/см3. Оно является твердым. Внешнее ядро занимает область глубиной от 5120 до 2900 км, температура, приблизительно 3500° С. На глубине 2900 км плотность его составляет 9,9 г/см3, состоит из железа, никеля и примесей более легких химических элементов. Железо, как полагают исследователи, составляет приблизительно 35% от всей массы Земли. Во внешнем ядре поперечные волны исчезают и снова возникают в области внутреннего ядра, следовательно, оно находится в жидком состоянии. Ядро (внешнее и внутреннее) составляет 33% массы Земли.

Мантия. Следующей геологической оболочкой Земли является мантия (в буквальном переводе с греческого означает покрывало, плащ). Мантия -- это относительно твердый слой Земли за внешней частью ее ядра. Мантия составляет 83% объема Земли и 67% -- ее общей массы. Толщина этого слоя, по-видимому, около 2900 км. Внутренняя температура Земли уменьшается от центра к ее поверхности. Средняя температура мантии оценивается в интервале от 2500 до 2000° С. Мантия, как полагают, сложена в основном из оливина. Мантию подразделяют: на нижнюю, толщиной в 2000 км, и верхнюю, толщиной в 900 км.

С учетом средней плотности Земли считается, что вещество мантии находится в близком к кристаллическому состоянии.

С процессами, происходящими в ядре и мантии Земли, геологии связывают такое явление, как магмообразование (магма в буквальном переводе с греческого -- густая мазь): образование расплавленной массы вещества в глубинных слоях Земли.

Астеносфера. Следующим слоем Земли на границе верхней мантии является астеносфера (от слов «слабый» и «сфера» греческого происхождения). Астеносфера -- переходная зона от мантии Земли к земной коре.

Полагают, что астеносфера находится на глубине 100 км под материками, 50 км -- под дном океанов и имеет свою нижнюю границу на глубине 350 км верхнего слоя мантии. На границе с мантией температура астеносферы -- 1500° С, а у основания земной коры (граница Мохо) -- 500° С.

В 1908 г. югославский сейсмолог А. Мохорович вычислил границу глубины, на которую погружается земная кора в мантию. Эту границу называют границей Мохо. По существу, астеносферу отделяют от земной коры лишь на основании вязкости вещества, из которого она состоит. Вязкость этого вещества на 2--4 порядка (1 порядок -- 1000 раз) ниже вязкости вещества земной коры. Граница или линия Мохо уточняется в связи новыми исследованиями.

Литосфера (греч. litos -- камень) -- самый тонкий слой Земли, который называют земной корой. Масса земной коры составляет всего лишь 0,05% от массы Земли и состоит в основном из 8 химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, калий, натрий и магний. Согласно теории А. Мохоровича земная кора имеет нижнюю границу, соприкасающуюся с астеносферой, на глубине от 35 до 45 км под равнинами суши, до 70 км -- в области поверхности Земли, занятой горами, и от 5 до 10 км под дном океана.

Земная кора делится на материковую (континентальную) и океаническую.

Термины «материк» и «континент» обозначают крупные массивы земной коры, большая часть которых выступает над уровнем Мирового океана, а периферийная часть (подводная окраина материка) покрыта водами океана и граничит с земной корой океана. Материковая кора состоит из трех геологических слоев: верхний слой (осадочный), средний слой (гранитный) и нижний слой (базальтовый). Осадочный слой -- это остатки живых организмов, их деятельности, а также такие породы, как песок, галька и другие породы.

Геологические породы состоят из минералов. Минералы -- это природные химические соединения, которые возникли в результате физико-химических процессов в естественных условиях эволюции Земли.

Граница, пролегающая между гранитным и базальтовым слоями континентальной или материковой коры на глубине от 5 до 35 км, называется границей В. Конрада (австрийский геофизик, впервые вычисливший эту границу, которая также уточняется со временем). Материковая кора занимает всего лишь 1/3 поверхности Земли. На океаническую кору приходится 2/3 поверхности Земли. Она состоит только из двух геологических слоев: верхнего (осадочного) слоя и нижнего (базальтового) слоя. Средняя толщина (мощность) всей земной коры, как полагают исследователи, -- 43 км, а океанической коры под океанами не превышает 7--8 км. Местами она увеличивается до 10--12 км и практически уменьшается до нуля в рифтовых ущельях срединно-океанических хребтов. Рифт (англ. rift -- расщелина) -- глубокие ущелья.

Срединно-океанические хребты -- это система подводных гор с глубокими рифтами. Протяженность этой системы составляет, по разным оценкам, более 80 тыс. км и проходит через все океаны. Открыта в прошлом веке, высота гор колеблется от 2500 до 3000 м. Различают Срединно-Атлантический хребет, проходящий через середину Атлантического океана, и Тихоокеанское поднятие. Протяженность первой системы хребтов составляет 18 тыс. км. Тихоокеанское поднятие не занимает срединного положения в Тихом океане и находится в его юго-восточной части. Оно имеет большую ширину и в несколько раз превышает протяженность системы Срединно-Атлантического хребта.

Гидросфера -- это вся вода Земли. Вода -- самое распространенное вещество на Земле. Она содержится в организмах, минералах, земной коре, океанах, морях, озерах, реках и в атмосфере. Моря и океаны занимают приблизительно 70,8% поверхности Земли. Масса воды на Земле почти в 266 раз больше массы атмосферы (масса атмосферы составляет одну миллионную часть массы Земли).

Общие запасы воды на Земле в не связанном физическом и химическом состоянии составляют 1,4 млрд км3.

Столько же воды находится в различных видах природных соединений. Вода на Земле находится главным образом в океанах и(98%). Остальные 2% приходятся на ледники и другие воды. Океаны в основном являются холодными. Только 8% воды океана теплее 10° С, более 50% океанической воды ниже 2° С. Соленость воды океанической (средняя) -- составляет 35 г/л. Средняя величина глубины мирового океана -- 3800 м, максимальная глубина -- приблизительно 11 022 м. Средняя величина, на которую поднята суша над уровнем Мирового океана, приблизительно 875 м. Распределение воды в океане не является равномерным. Переход от суши к океаническому дну происходит приблизительно таким образом. При переходе от суши глубина растет медленно с уклоном в 1--2 м на километр. Это мелководье протяженностью приблизительно в 80 км, оно называется континентальным шельфом. Затем начинается крутой обрыв, и через 30--35 км от шельфа глубина доходит до 3 км. Дальше начинаются абиссальные равнины (лат. abisso-- означает бездна, провал) глубиной от 2,5 до 6 км. Абиссаль пересекается изредка хребтами, глубоководными желобами и впадинами с рекордными глубинами в 10 км и свыше 11 км. Исследования осадочных пород свидетельствуют о том, что гидросфера Земли образовалась приблизительно 3,8 млрд лет тому назад и количество воды в Мировом океане не было строго постоянным и неоднократно менялось. Уровень океана падал на 100--150 м ниже современного, но по площади океан всегда преобладал над сушей.

Сегодня состав океана находится почти в полном химическом равновесии с атмосферой Земли и ее корой. Это насыщенный раствор атмосферных газов, но растворимость их в воде невелика. В нем содержится высокая концентрация углекислоты. Общая масса концентрированной углекислоты в океане в 30--100 раз больше массы всей атмосферной кислоты. Океан является мощным растворителем большей части растворимых в воде химических элементов, которые существуют на нашей планете. Система океан -- атмосфера является своеобразной тепловой машиной, обеспечивающей круговорот СO2 и водяных паров над поверхностью Земли.

Атмосфера Земли по своему химическому составу состоит: азот -- 78,1%, кислород -- 20,95%, остальное -- это водяные пары, СO2 и инертные газы.

Атмосфера Земли представляет слоистую сферу: тропосфера -- до 12 км, стратосфера -- до 45 км, мезосфера -- до 80 км, термосфера -- от 100 до 300 км и экзосфера -- от 320 до 1000 км и выше. В тропосфере (греч. tropos -- поворот) температура достигает над полюсами до -55° С и до -75° С над экватором. Затем она повышается в стратосфере (лат. strat -- настил) и достигает 0° С на высоте 55 км. Затем снова понижается до --85° С в мезосфере (греч. mezo -- средней) на расстоянии около 90 км. В термосфере идет повышение температуры и дальнейшее снижение плотности воздуха (до 0,001 г/м3). На высоте 400 км температура больше 1000° С. Этот слой атмосферы с высокой температурой не влияет существенно на внутреннюю температуру международной космической станции, которая находится на такой высоте. Атмосфера вращается вместе с Землей. На высоте от 20 км и почти до 60 км существует в атмосфере озонный слой (O3), который поглощает вредное для всех живых организмов коротковолновое излучение в диапазоне длины волны 220--290 нм (нанометров).

Гляциосфера Земли (лат. glacios -- лед). Снежный покров и ледники выполняют важную роль на Земле:

1. Они отражают значительную часть солнечной радиации и тем самым охлаждают воздух атмосферы.

2. В них содержится огромный запас холода (втрое превышает поступление тепла от Солнца и самой Земли), идущего из ее недр в течение года.

3. В них содержится 2/3 запасов пресной воды Земли. Современные ледники покрывают площадь свыше 16 млн км2 (11%, суши), а с учетом подземных льдов и плавучих льдов -- 100 млн км2 (19,6% земной поверхности). Выпадающий ежегодно снег покрывает 125 млн км2, из которых 2/3 приходится на сушу. Почти 17% выпадающего ежегодно снега идет на подкормку ледников. Самыми крупными ледниками на Земле являются Антарктический и Гренландский. Первый занимает 90% Антарктиды, его толщина (мощность) колеблется от нескольких сотен до 4000 м. Второй занимает 80% Гренландии, его толщина достигает около 3400 м. Специалисты по геокриологии (греч. kryos -- холод,.мороз) утверждают, что за последние 600 млн лет на Земле было 17 периодов оледенения, когда льдом покрывалось примерно 30% суши. Последнее оледенение было, как полагают специалисты, 40 тыс. лет назад и продолжалось до 18 или 10 тыс. лет. Получается, что человек живет в относительно комфортных климатических условиях почти 10 тыс. лет. Ученых интересуют также мерзлотости (зоны вечной мерзлоты). Они составляют почти 25% всей поверхности Земли, а в России они занимают 50% ее территории. Как поведут себя мерзлотости в период повышения поверхностной температуры Земли?

Термин «биосфера» был введен в 1875 г. австрийским геологом и зоологом Э. Зюссом. Учение о биосфере было создано в 1926 г. В. И. Вернадским. Биосфера (греч. bios -- жизнь и sphaira -- шар) -- это область живого вещества, жизни на нашей планете. Современные исследования установили значительную роль биосферы в круговороте вещества на Земле (растения поглощают СO2 и производят кислород, которым дышат животные, микроорганизмы и бактерии, участвующие в образовании осадочных пород и т. д.).

Согласно учению В. И. Вернадского биосфера является целостным, многоуровневым образованием. Общая толщина слоя биосферы составляет 17 км.

В глубь литосферы живые организмы проникают на 6,5-7 км, в гидросфере они проникают на глубину свыше 11 км. В атмосфере живые организмы живут под озоновым слоем, который задерживает (экранирует) ультрафиолетовое излучение, губительное для всего живого.

В биосферу, по В. И. Вернадскому, входят:

-- живое вещество -- совокупность всех живых организмов, населяющих планету (это где-то 0,02--0,03% от общей массы неживого вещества Земли);

-- косное вещество -- вещество, не связанное с жизнедеятельностью живых организмов;

-- биогенное вещество, образовавшееся в результате деятельности живых организмов (кислород атмосферы, уголь, газ, нефть, осадочные породы и т. д.);

-- биокосное вещество -- это результат воздействия косного вещества (физико-химические процессы в геологических породах) и живого вещества.

Развитие учения о биосфере, по В. И. Вернадскому, позволило прояснить механизм взаимодействия живого и неживого на Земле, а также роль этого механизма в регуляции климата на Земле. Фактически оказалось, что механизм круговорота энергии, вещества, излучения в форме теплового обмена на Земле является чрезвычайно тонким и высоко сбалансированным, поэтому наше представление о том, что ничего не произойдет, все восстановится, является опрометчивым, опасным, губительным для последующих поколений. Так, например, при оценочной величине радиационной температуры (без учета энергии Солнца) всей Земли в --16° С, температуры Мирового океана в 3--5° С и поверхностной температуры Земли в 14° С (речь идет о средних величинах) главная нагрузка на удержание тепла на Земле выпадает на водные пары, СO2 и некоторые другие «парниковые» газы в атмосфере Земли. Именно они создают «парниковый» эффект: не пропускают тепло Земли (тепловые волны, инфракрасное излучение) в околоземное пространство. Это подтверждается исследованиями из космоса. Таким образом, содержание водных паров, СO2 и других «парниковых» газов существенно влияет на климат Земли: увеличение СO2 в атмосфере ведет к потеплению, уменьшение -- к похолоданию. Как показали современные исследования, содержание СO2 в атмосфере регулируется биохимическим факторами биосферы: увеличение СO2 ведет к увеличении и растительного океанического и материкового мира.

Наблюдения из космоса уже в начале XXI в. показали, что наша планета стала намного зеленее, поскольку содержание СO2 в атмосфере увеличено за счет выбросов «парниковых» газов промышленностью. По современным оценкам, Земля получает тепла изнутри на четыре порядка меньше, чем от Солнца.

Магнитосфера Земли -- это область околопланетного пространства Земли.

Магнитная сфера Земли с дневной стороны (обращенной к Солнцу) распространяется от 6 до 14 радиусов Земли, с ночной стороны она образует нечто подобное «хвосту» кометы в несколько сот земных радиусов. Именно магнитная сфера соприкасается с потоком космических частиц (в том числе с частицами солнечного ветра), уменьшая их энергию. Вращение Земли вокруг своей оси делает заметными изменения в магнитной сфере.

Антропосфера. Сфера деятельности человека в историческом времени. Сегодня человечество оказывает большое воздействие на биосферу Земли. Ежегодно в атмосферу выбрасывается более 200 млн ф углеводорода, 146 млн ф диоксида серы, более 250 млн ф пыли. В водоемы ежегодно поступает 32 млрд м3 неочищенных стоков и около 10 млн ф нефти. К сожалению, этот список можно продолжить.

9.2 Концепции и теории происхождения и эволюции Земли

Абсолютная геохронологическая шкала. В этой шкале речь идет о концептуальном представлении знаний о нашей планете на основе развития ряда гипотез и учений. Кратко об истории возникновения этих гипотез и учений.

К концу XVIII в. сформировались две гипотезы, в которых выражалось отношение к библейскому учению о сотворении Богом нашей планеты: нептунисты (Нептун -- бог морей в римской мифологии) и плутонисты (Плутон -- бог подземного царства).

А. Вернер (1749--1817) -- немецкий геолог, занимавшийся классификацией геологических пород, исходил из признания библейской идеи о Всемирном потопе. Он полагал, что земная твердь вначале была покрыта океаном и с отступлением его останки животных, растений, солей, привели к образованию геологических слоев земной поверхности. На это ушло, согласно гипотезе, несколько миллионов лет.

Дж. Геттон (1726--1807) -- шотландский геолог. Он считал, что образование геологических пород земной коры связано с вулканической деятельностью, обусловленной внутренними процессами, идущими из центра Земли. Нептунисты и плутонисты высказывали, по существу, эволюционные идеи происхождения земной коры.

Одним из авторов эволюционной идеи происхождения Земли и развития на ней жизни является французский зоолог Ж. Леклерк (граф Бюффон), живший в XVIII в. О его эволюционной идее уже говорилось раньше. Шведский биолог Карл Линней -- автор первой классификации растений и животных -- высказал биологическую гипотезу, которая оказала большое влияние на развитие геологии. Он утверждал, что биологические роды возникли на Земле по отдельности в определенное исходное время и с тех пор не изменяются, поскольку изменения касаются только видов как вариантов родов. Останки растений и животных были использованы геологами для ведения хронологии образования геологических слоев, пород на Земле:

1) продолжительность (средняя) жизни видов можно установить на основе систематических наблюдений;

2) кроме того, было допущено предположение о том, что исходные первоначальные геологические породы не меняются, как и биологические роды в биологии К. Линнея. Из этого предположения следовало, что геологические силы в геологическом прошлом Земли продолжают действовать и в геологическом настоящем.

Гипотеза, которая утверждает сохранение, неизменность некоторого единообразия (биологического или геологического) в актуальном настоящем и далеком прошлом, называется униформизмом (лат. uniformus -- единообразие). Униформизм не отрицает изменений в геологических и биологических процессах, но отдает предпочтение изменениям медленным, постепенным во времени.

Развитие эволюционной геологии связано с именем английского геолога Ч. Лайеля (1787--1875). Считается, что он заложил основы эволюционной геологии. Его теория получила название теории единообразных изменений в геологии. В этой теории главный акцент сделан на механизме медленного, не скачкообразного действия единых естественно-природных факторов на формирование геологических пород Земли и вообще всего развития на Земле.

Конкурирующей гипотезой униформизму была гипотеза, получившая название катастрофической. Автором этой гипотезы является французский зоолог, специалист по сравнительной анатомии и палеонтологии Ж. Кювье (1769--1832).

Изучая останки живого мира в геологических пластах, он обнаружил «провалы» и «разрывы» в эволюции растений, животных, живых организмов: более поздние геологические пласты содержали останки живого мира, которые не имели принципиального сходства с останками в более ранних геологических пластах. Ж. Кювье объяснял этот факт периодическими катастрофами на Земле.

Обе гипотезы, о которых говорилось выше, внесли определенный вклад в развитие знаний о Земле. Однако лежащие в их основе знания и методы исследования были явно недостаточными для объяснения проблем исследования нашей планеты. В конце XIX в. и в первых десятилетиях ХХ в. произошло много событий в науке, которые способствовали развитию знаний о Земле. В биологии появились эволюционная теория Ч.Дарвина (1809--1882) и генетика Г. Менделя.

В физике было открыто явление радиоактивности. Последнее явление позволило ирландскому ученому Д. Джоли оценить важность его в объяснении процессов, происходящих внутри Земли. Он высказал в 1909 г. гипотезу, согласно которой радиоактивный распад атомов радиоактивных элементов является причиной наличия большой температуры внутри Земли и деятельности вулканов. В 1909 г. выдающийся ученый В. И. Вернадский заложил основы геохимии. На смену униформизму и катастрофической гипотезе Ж. Кювье пришли новые естественнонаучные гипотезы и теории, в которых использовались достижения современной науки.

В конце XIX в. знаменитый норвежский исследователь Арктики Ф. Нансен дал объяснение влияния действия ветрового напряжения и ускорения Кориолиса на направление течения в океане: дрейф его судна происходил не в направлении ветра, а под углом в 20°--40° вправо от направления ветра. Кориолиса ускорение означает поворотное ускорение. Этот понятие ввел французский ученый Кориолис Густав Гаспар (1792--1843).

В 1905 г. шведский ученый В. Экман построил теорию ветрового течения в открытом глубоком океане, так называемая спираль Экмана: на глубине вода течет в сторону, противоположную поверхностному течению. Исследования Ф. Нансена и В. Экмана способствовали изучению физики течений воды в океанах, морях и влияния этих течений на теплообмен Земли.

Важным событием в изучении Земли было создание в 1881 г. временной шкалы формирования геологических слоев Земли и развития живых организмов на Земле. Эта шкала с учетом современной геохимии, биохимии, геофизики выглядит таким образом.

На основе оценки возраста геологических пород и останков организмов Земли методом измерения скорости радиоактивного распада ряда химических элементов устанавливается возраст Земли в 4,5 (±50 млн) млрд лет. Этот возраст разбивается на ряд последовательных интервалов.

Эоны (в вольном переводе соответствующего древнегреческого термина означает длительные интервалы образования геологических пород) -- это два длительных интервала: фанерозой (в буквальном переводе -- явная жизнь) занимает время продолжительностью в 570 млн лет; криптозой (греч. kripto -- скрытый и zoe -- жизнь) имеет продолжительность от 570 млн до 3 млрд 800 млн лет.

Эон фанерозой делится на эры: палеозой, мезозой и кайнозой (при буквальном переводе соответствующих терминов с греческого языка означает древняя жизнь, средняя жизнь, заря жизни). Продолжительность эры палеозой от 570 до 130 млн лет, эра мезозой -- от 130 до 67 млн лет, эра кайнозой -- от 67 млн лет до настоящего времени.

Эон криптозой делится на эру протерозой (более древняя жизнь) и эру архезой (самая древняя жизнь). В этой шкале слово «жизнь» означает период в образовании геологических пород и связанное с ним зарождение форм жизни.

Эра кайнозойская, самая близкая современному периоду развития Земли, подразделяется на периоды:

1. Палеогеновый (древнее рождение, возраст) имеет начало 67 млн лет тому назад и продолжался около 42 млн лет.

2. Неогеновый (новое рождение) начался 25 млн лет тому назад. Продолжался 23,5 млн лет.

3. Антропогеновый (греч. antropos -- человек, относящийся к происхождению человека) начинается, по разным оценкам, от 3,5 до 1,5 млн лет, продолжительностью от 600 тыс. до 3,5 млн лет. Этот период иначе называют четверичным периодом. В нем выделяются относительно короткие отрезки времени или эпохи (греч. enpoche -- остановка): плейстоцен (наибольший новый) и голоцен (весь новый). Плейстоцен характеризует время возникновения обширных оледенений в Северной Европе. Голоцен -- послеледниковая эпоха, является незаконченным отрезком времени современной геологической истории Земли, начинается с окончанием последнего материкового оледенения Северной Европы. Согласно современным данным разных источников появление живых систем на Земле представляется следующим образом: появление первых прокариотов -- 3,85 млрд лет тому назад; первые водоросли (бактерии) -- 2,5.млрд лет; наличие кислорода в атмосфере Земли в свободном виде -- 2 млрд лет тому назад; появление червеобразных форм жизни -- 1,8 млрд лет; появление многоклеточных растений -- 800 млн лет тому назад; возникновение бесскелетной фауны -- 670 млн лет; скелетная фауна возникла 570 млн лет тому назад; 560 млн лет тому назад содержание кислорода составляло 1/3 часть от современного в атмосфере Земли; появление наземных растений -- 480 млн лет; появление рыб -- 420 млн лет; появление млекопитающих -- 240 млн лет; появления человека-разумного -- 100--150 тыс. лет назад.

9.3 Теория литосферных плит

В 1912 г. немецкий геофизик А. Вегенер (1880--1930) привел геологические и географические доказательства о существовании единого материка в историческом прошлом Земли. До него, еще в XIX в., высказывалась аналогичная идея: сравнение очертаний материков говорило в пользу того, что когда-то они составляли один материк. А. Вегенер назвал этот материк Пангеей. Греческое слово пангея означает вся Земля. А. Вегенер утверждал, что 135 млн лет тому назад Пангея распалась на два материка: Лавразию (северная часть) и Гондвану (южная часть). Эта гипотеза получила название мобилизма (лат. mobilis -- подвижный).

Во второй половине прошлого века эта гипотеза стала теорией. Из космоса зафиксировано движение литосферных плит. Сегодня доказано, что земная кора состоит из 15 литосферных плит, из которых 6 являются самыми крупными: Антарктическая, Австралийская, Южноамериканская, Тихоокеанская, Североамериканская и Евразийская.

По разным оценкам, плиты двигаются со скоростью от миллиметра до 10--18 см в год. Движение плит состоит из: спрединга (англ. spreading -- расхождение) и субдукции (лат. sab -- под и dicto -- введение).

Первый процесс -- это расхождение плит, второй -- погружение одной плиты под другую. В целом размеры Земли являются постоянными благодаря действующим на Земле геофизическим полям (гравитационному, магнитному, электрическому и тепловому). Поэтому расширяющаяся от срединно-океанической системы хребтов океаническая кора не может расширяться до бесконечности. Океаническая плита, сталкиваясь с материковой литосферной плитой, погружается под материковую. Плотность материковых плит меньше плотности океанических, поэтому материковая плита поднимается над океанической, которая погружается под материковую в мантию на глубину до 670 км. Согласно некоторым исследованиям мощность литосферных плит колеблется от 150 до 350 км под материками и от 5 до 90 км под океанами. Столкновение материковых плит приводит к образованию систем горных хребтов типа Гималаев и Кавказа. Граница, где происходит погружение океанических плит под материковые плиты, ярко выражена по периферии Тихого океана. Протяженность всей границы субдукции плит достигает 60 тыс. км.

Российский ученый В. Трубицин разработал гипотезу о механизме плавания литосферных плит, согласно которой эти плиты являются как бы крышками, накрывающими идущие из Земли горячие потоки вещества, названные плюмами. Нагревая плиты снизу, энергия плюмов преобразуется в механическое движение литосферных плит от более нагретой плиты к менее нагретой области земной коры.

9.4 Гипотезы образования Земли

В научной литературе речь идет в основном о двух конкурирующих гипотезах: гетерогенной и гомогенной. Гетерогенной гепотезой утверждается, что в протопланетном диске первоначально происходило слипание тугоплавких частиц, содержащих железо и никель, из которых вначале образовалось ядро нашей планеты. Образование Земли происходило в три стадии слипания, или аккрекции (лат. accretio -- увеличение), исходного вещества Земли. Первая длилась приблизительно 100 млн лет. На этой стадии радиус Земли составил почти 95% от настоящего. Вторая длилась 200 млн лет. Третья -- 400 млн лет и закончилась приблизительно3,9 млрд лет тому назад. Эта гипотеза согласуется с современными радиологическими оценками возраста древних пород. Возраст Земли оценивается в 4,66 млрд лет. Возраст самых древних на Земле минералов -- в 4,0--4,4 млрд лет.

Представители гомогенной гипотезы утверждают, что первоначально Земля была однородной. Ядро нашей планеты возникло позднее. Не все в этих гипотезах является ясным: какое влияние оказывало Солнце на образование Земли? Откуда на Земле взялся гелий?

Гелий впервые был обнаружен на Солнце. Он является инертным газом. В обычных условиях не вступает в реакции ни с одним из элементов таблицы Менделеева. В 30-х годах было установлено, что у него есть два изотопа -- гелий-3 и гелий-4, отличающиеся друг от друга одним нейтроном.

Измерение соотношения содержания гелия-3 и гелия-4 в земных породах и в атмосфере Земли привело ученых к предположению о том, что чем глубже к центру Земли, тем больше должно быть в породах гелия-4. Гелий-4, как говорят геологи, контролирует глубинные разломы Земли, из которых он выходит. Однако эксперименты не подтвердили эту гипотезу, поскольку процентное соотношение этих изотопов сохраняется по мере проникновения в глубь Земли.

На основании этих экспериментов была высказана гипотеза о том, что при образовании Земли ее температура была невысокой, поскольку, если она была бы высокой, гелий должен был бы улетучиться в окружающую среду. Гелий-4 образуется при распаде радиоактивных минералов. Согласно этой гипотезе гелий-3 в мантии Земли имеет солнечную природу, т. е. им было «пропитано» все исходное вещество, из которого образовалась Земля на первой стадии ее возникновения. Если бы гелий-3 был вне мантии, в более высоких слоях Земли, то он давно бы улетучился, поскольку его содержание в атмосфере Земли меньше, чем гелия-4.

Из мантии ему выбраться сложнее, поэтому он там сохраняется в процентном отношении, близком к содержанию гелия-4, образующегося в результате распада радиоактивных химических элементов внутри геологических слоев Земли.

9.5 Концепция происхождения Луны

Луна -- спутник Земли. Масса ее составляет 1/81,3 массы Земли. Это обстоятельство является необычным. У всех других планет Солнечной системы, имеющих спутники, за исключением Плутона, отношение массы их спутников к массе планеты не составляет и тысячной доли. Среднее расстояние до Луны равно 384 400 км, т. е. в 60 раз больше земного радиуса. Радиус Луны 1738 км. Ускорение силы тяжести на поверхности -- 1,62 м/с2. Средняя плотность -- 3350 кг/м3. Луна светит отраженным солнечным светом. Альбедо Луны -- 0,067%. Лунный грунт состоит из мелкозернистого обломочно-пылевого вещества метеоритного происхождения. Температура на Луне колеблется от 120 до 407 К в зависимости от обращения ее поверхности к Солнцу. Луна имеет магнитное поле, но не имеет атмосферы. Как небесное тело, Луна вращается вокруг своей оси и обращается вокруг Земли по эллиптической орбите. Угол наклона оси вращения Луны к плоскости эклиптики составляет 5°8'7". Причиной затмений является почти совпадение угловых диаметров Солнца и Луны при наблюдении с поверхности Земли. Солнечные затмения случаются примерно 43 раза за 18 лет. Движение Луны вокруг Земли приводит не только к лунным и солнечным затмениям, но и к более существенным процессам на Земле. Сила, действующая между Луной и Землей, определяется массой этих небесных тел и расстоянием между ними. Луна обращается вокруг Земли за 27,3 суток под действием силы тяготения со стороны Земли, с другой стороны -- сила тяготения Луны действует на Землю, вызывая явление, которое называется прецессией (поздне лат. preacessio -- движение впереди). Прецессия -- это медленное движение оси вращения Земли по круговому конусу. Ось этого конуса перпендикулярна плоскости орбиты Земли, а угол между осью, образующей конус, составляет 23°27' Земля, как вращающееся тело, имеет прецессию под влиянием силы тяготения Солнца, но наличие Луны делает период прецессии Земли равным 26 тыс. лет, а не 100 тыс. лет, если бы не было Луны. Процессия -- сложное явление, но с ним связано изменение освещенности поверхности Земли, которое за достаточно большой период становится заметным на климате Земли. Наличие силы тяготения Луны приводит к искажению формы Земли и замедлению вращения Земли. В точках или областях Земли, которые находятся на близких расстояниях к Луне, происходит вытягивание этих точек или областей. Этим явлением объясняется наличие приливов и отливов на Земле. Скорость вращения Земли существенно больше скорости обращения Луны вокруг Земли. Поэтому сила тяготения Луны, вытягивающая вещество Земли в направлении Луны, вызывает эффект торможения при вращении Земли. В то же время происходит эффект удаления Луны от Земли на расстояние приблизительно 1 см в год. Существует несколько гипотез возникновения Луны:

...